Початки комбінаторики, Детальна інформація

Означення. Комбінація по m елементів n-елементної множини – це її m-елементна підмножина.

Приклади.

1. При A={a, b, c} усі комбінації по два елементи – це підмножини {a,b}, {a,c}, {b,c}.

2. Розподіл n різних кульок по одній на кожний з m однакових ящиків, m(n. Оскільки ящики однакові, то розподіл взаємно однозначно визначається підмножиною з m кульок, що розкладаються.

.

4. Перестановки з повтореннями

Означення. Перестановка з повтореннями по m елементів множини A={a1, a2, …, an} складу (k1, k2, …, kn) – це послідовність довжини m=k1+k2+…+kn, в якій елементи a1, a2, …, an повторюються відповідно k1, k2, …, kn разів.

Приклади.

1. При A={a, b, c} перестановками з повтореннями складу (1, 0, 2) є послідовності (a,c,c), (c,a,c), (c,c,a), складу (1, 1, 1) – (a,b,c), (a,c,b), (b,a,c), (b,c,a), (c,a,b), (c,b,a).

2. Нехай m різних кульок розкладаються по n різних ящиках так, що в першому ящику k1 кульок, у другому – k2 кульок, …, у n-му – kn кульок, причому m=k1+k2+…+kn. Пронумеруємо кульки від 1 до m, ящики – від 1 до n. Задамо розподілення кульок як функцію, яка ставить у відповідність номеру кульки номер ящика, куди вона потрапила. Отже, маємо послідовність довжини m=k1+k2+…+kn, в якій номери 1, 2, …, n повторюються k1, k2, …, kn разів відповідно. Очевидно, що така функція відповідає розкладу кульок взаємно однозначно. Таким чином, розклад подається як перестановка з повтореннями складу (k1, k2, …, kn).

Кількість перестановок з повтореннями з елементів множини A={a1, a2, …, an} складу (k1, k2, …, kn) позначається P(k1, k2, …, kn) і виражається формулою:

.

Доведемо її за допомогою математичної індукції за n.

, і базу доведено.

2. Індукційний перехід. За припущенням індукції,

.

Поставимо довільній перестановці складу (k1, k2, …, kn, kn+1) у відповідність пару вигляду

(підмножина номерів місць, де розташовано елементи an+1,

перестановка з повтореннями решти елементів по інших місцях).

За принципом добутку та за припущенням індукції, кількість таких пар є



Оскільки очевидно, що відповідність між перестановками складу (k1, k2, …, kn, kn+1) та наведеними парами є взаємно однозначною, то правильність формули для P(k1, k2, …, kn) доведено.

За означенням, перестановки складу (k1, k2, …, kn) є послідовностями довжини m=k1+k2+…+kn, тобто розміщеннями з повтореннями окремого вигляду, а саме, з фіксованими кількостями елементів a1, a2, …, an. Таким чином, послідовності чисел (k1, k2, …, kn), таких, що k1+k2+…+kn=m, взаємно однозначно відповідає підмножина множини розміщень. Перебираючи всі можливі послідовності чисел (k1, k2, …, kn), ми перебираємо всі можливі розміщення.

Наведені неформальні міркування демонструють зв'язок між перестановками й розміщеннями з повтореннями та обгрунтовують формулу:

.

5. Комбінації з повтореннями

Комбінації елементів якоїсь множини – це її підмножини. Але у множинах елементи не повторюються, тому термін "комбінації з повтореннями", що склався в математиці, не можна вважати вдалим.

Розглянемо це поняття за допомогою перестановок із повтореннями. Усі перестановки з повтореннями з елементів множини A={a1, a2, …, an} з тим самим складом (k1, k2, …, kn), де k1+k2+…+kn=m, будемо вважати еквівалентними між собою. Таким чином, множина перестановок розбивається на класи еквівалентності, які взаємно однозначно відповідають усім можливим складам (k1, k2, …, kn). Кожний такий клас еквівалентності й називається комбінацією по m елементів з повтореннями складу (k1, k2, …, kn) [1].

Можна означити комбінації з повтореннями дещо інакше. Серед усіх еквівалентних перестановок складу (k1, k2, …, kn) є перестановка вигляду

(a1, a1, …, a1, a2, a2, …, a2, …, an, an, …, an).